Εφαρμογές Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων

Transcript

1 Εφαρμογές Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων Δημήτρης Χασάπης Μηχ. Τεχνολογίας Α.Π.Ε. Τμήμα Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων

2 Ηλιακή Ενέργεια

3 Ηλιακή ενέργεια Τα ενεργειακά αποθέματα της Γης εξαντλούνται. Τα αποθέματα άνθρακα εκτιμάται ότι επαρκούν για περίπου 150 έτη. Τα αποθέματα πετρελαίου, φυσικού αερίου και ουρανίου θα έχουν εξαντληθεί σε περίπου 40 έτη. Ο ήλιος θα παρέχει ενέργεια επί πέντε δισεκατομμύρια έτη. Ενέργεια που υπερβαίνει κατά φορές την ποσότητα που καταναλώνουμε ετησίως! Ουράνιο Φυσικό αέριο Πετρέλαιο Ετήσια ηλιακή ενέργεια Άνθρακας Ετήσια κατανάλωση ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο

4 Ηλιακή ακτινοβολία Ετήσια έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία σε kwh/m > 2300

5 Ηλιακή ακτινοβολία στην Ελλάδα

6 Ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα Το άθροισμα της ολικής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια ενός έτους στο δικό μας γεωγραφικό πλάτος είναι περίπου kwh/(m²a) Αυτή η ποσότητα ενέργειας, την οποία μας παρέχει ετησίως ο ήλιος ανά μ 2 διατίθεται δωρεάν και υπολογίζεται ότι αντιστοιχεί σε 160 λίτρα πετρελαίου θέρμανσης kwh/m² Μηνιαία Άμεση και Διάχυτη Ακτινοβολία (Αθήνα) Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μάι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Άμεση Ακτινοβολία Διάχυτη Ακτινοβολία

7 Μεταβολές ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα Όλική Ημερίσια Οριζόντια Ακτρινοβολία (Αθήνα) Ακτινοβολία w/m² :00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 W/m² Δεκέμβριος (0 ) Μάρτιος (0 ) Ιούνιος (0 ) Δεκέμβριος (31 ) Μάρτιος (31 ) Ιούνιος (31 ) Δεκέμβριος (60 ) Μάρτιος (60 ) Ιούνιος (60 )

8 Ηλιακοί συλλέκτες

9 Χωρίς κάλυμμα Promotion of Renewable Energy for Water production through Desalination Θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες Επίπεδοι Κενού

10 Συλλέκτες χωρίς κάλυμμα Πλαστικός απορροφητής Χιτώνιο ελαστικού σωλήνα Σωλήνας διανομής Αισθητήρας θερμοκρασίας Αποστάτης Σπειροειδής σωλήνας Πώμα/ εξάρτημα άκρου

11 Επίπεδος συλλέκτης Διαφανές κάλυμμα Απορροφητής Συλλεκτήριος αγωγός απαγωγής θερμότητας Μόνωση Σωλήνας με μέσο διανομής θερμότητας Περίβλημα συλλέκτη

12 Επίπεδος συλλέκτης θερμικές απώλειες Απώλειες ακτινοβολίας του απορροφητή Αντανάκλαση στον απορροφητή Αντανάκλαση στο κρύσταλλο του συλλέκτη Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Θερμικές απώλειες του οπίσθιου και των πλευρικών τοιχωμάτων

13 Επίπεδος συλλέκτης επιλεκτική επιφάνεια Πηγή:Vaillant Πηγή:Dimas Solar

14 Επίπεδος συλλέκτης διπλό κάλυμμα Διπλότζάμιμεενδιάμεσοκενό -Περίπου 10-25% αύξηση απόδοσης Προβλήματα διαστολών ρωγμές και σπάσιμο τζαμιών

15 Επίπεδος συλλέκτης συλλέκτης με teflon Φύλο teflon μεταξύ απορροφητή και τζαμιού -Περίπου 8-15% αύξηση απόδοσης

16 Συλλέκτης κενού

17 Συγκεντρωτικός συλλέκτης

18 Συγκεντρωτικός συλλέκτης τύπου σκάφης (Parabolic Trough)

19 Συγκεντρωτικός συλλέκτης τύπου σκάφης (Parabolic Trough)

20 Σύγκριση ηλιακών συλλεκτών Απόδοση Διαφορά θερμοκρασίας συλλέκτη και θερμοκρασίας περιβάλλοντος Χωρίς κάλυμμα Συλλέκτης κενού Επίπεδος συλλέκτης Pool heating DHW & space heating Industrial applications

21 Σύγκριση ηλιακών συλλεκτών Τεχνολογία Συλλέκτη Κόστος Απόδοση (kwh/m²/χρόνο) Τυπική Χρήση Χωρίς κάλυμμα Χαμηλό 300 Θέρμανση Πισίνας Επίπεδος Συλλέκτης (Μαύρη μπογιά) Μεσαίο 650 Θέρμανση Πισίνας, ΖΝΧ Επίπεδος Συλλέκτης (Επιλεκτικός Απορροφητής) Μεσαίο 700 ΖΝΧ, Θέρμανση Χώρου, Ηλιακός Κλιματισμός, Αφαλάτωση Συλλέκτες Κενού Υψηλό 850 Θέρμανση Χώρου, Ηλιακός Κλιματισμός, Αφαλάτωση Συγκεντρωτικοί Συλλέκτες Πολύ Υψηλό Ανάλογα με τη συγκέντρωση Ηλιακός Κλιματισμός, Παραγωγικές Διαδικασίες, Ηλεκτρική Ενέργεια, Αφαλάτωση

22 Ηλιακά Συστήματα

23 Θέρμανση ΖΝΧ θερμοσιφωνικά συστήματα Ζεστό Νερό Ζεστό Νερό Κρύο Νερό Κρύο Νερό Εναλλάκτης Θερμότητας Ανοιχτού κυκλώματος Κλειστού κυκλώματος Πηγή:Target/DGS

24 Θέρμανση ΖΝΧ εξαναγκασμένης κυκλοφορίας

25 Συστήματα combi υποστήριξη θέρμανσης χώρου Solar combisystems ήαπλά combi : ηλιακά θερμικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για θέρμανση χώρουκαινερούχρήσης. 10 βασικές παραλλαγές (International Energy Agency IEA, Solar Combisystems, Solar Heating & Cooling Programme, Task 26).

26 Συστήματα combi υποστήριξη θέρμανσης χώρου Χρήση σε: Κατοικίες Ξενοδοχεία, Νοσοκομεία κλπ. Βιομηχανία Πολύ ευνοϊκές συνθήκες για την εφαρμογή τους στην Ελλάδα. Δυνατότητα κάλυψης φορτίου: 30-50% μόνο με ηλιακά 100% (συνδυασμός με βιομάζα) Έχουν ήδη εισχωρήσει στην Ευρωπαϊκή αγορά

27 Συστήματα combi υποστήριξη θέρμανσης χώρου 1997 solar collector market in DE, AT Collector area (m 2 ) Combi Solar DHW 0 DE AT

28 Συστήματα combi υποστήριξη θέρμανσης χώρου

29 Συστήματα combi υποστήριξη θέρμανσης χώρου Τα συστήματα θέρμανσης με ηλιακά/βιομάζα μπορούν να συνδυαστούν με συμβατικά θερμαντικά σώματα - ενσωμάτωση σε ήδη εγκατεστημένα σύστημα. Μπορούν να συνδυαστούν με ηλιακούς ψύκτες για κάλυψη των ψυκτικών αναγκών (χρήση περίσσιας ενέργειας). Κόστος : 400 /m² Απαιτούμενο συλλεκτικό πεδίο: 20% του χώρου για 40%-50% κάλυψη με περίπου 10lt/m² όγκου αποθήκευσης (π.χ. για 100m² οικία: 20m²επίπεδοι επιλεκτικοί συλλέκτες, 1000lt δοχείο αποθήκευσης) Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο σχεδιασμό. π.χ διαστασιολόγηση του δοχείου διαστολής του ηλιακού κυκλώματος (φαινόμενο στασιμότητας).

30 Ηλιακός Κλιματισμός

31 Ηλιακός κλιματισμός Ηλιακός κλιματισμός ή solar combi+ : συστήματα που χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια για Θέρμανση, κλιματισμό χώρου καθώς και παραγωγή ΖΝΧ. Χρήση ψυκτικών μηχανημάτων που χρησιμοποιούν ζεστό νερό ως κύρια πηγή ενεργείας. Κλειστά κυκλώματα για ψύξη νερού Ανοιχτά κυκλώματα για κλιματισμό αέρα

32 Ηλιακός κλιματισμός - εγκαταστάσεις Συνολική εγκατεστημένη ισχύς το 2007: 9MW Ισπανία :31% Γερμανία: 18% Ελλάδα: 12%

33 Ηλιακός κλιματισμός ενσωμάτωση στα κτίρια heat supply system chilled water buffer storage backup heater chiller supply air heat recovery wheel desiccant wheel ambient air building/room return air conditioned air exhaust air Source: Fraunhofer -ISE

34 Ηλιακός κλιματισμός - τεχνολογίες

35 Ηλιακός κλιματισμός ψύκτες απορρόφησης Τα διαθέσιμα προϊόντα στην αγορά είναι κυρίως υψηλής ψυκτικής ισχύος (> 200 kw) 13 διαθέσιμα προϊόντα χαμηλής ισχύος στην αγορά (<100 kw) 3 Ελληνικής εταιρίας Το παραγόμενο ψυχρό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κλιματισμό του αέρα (αφύγρανση, ρύθμιση θερμοκρασίας) ή για ψύξη/δροσισμό χώρων (fan coils, chilled ceilings,...) Μικρότερος ψύκτης 4.5 kw Θερμοκρασία προσαγωγής 75 C C Θερμοκρασία προσαγωγής σε διβάθμιες διατάξεις > 150 C με COP 1.2 COP Source: Fraunhofer -ISE

36 Ηλιακός κλιματισμός ψυκτες προσρόφησης Το παραγόμενο ψυχρό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί κλιματισμό του αέρα (αφύγρανση, ρύθμιση θερμοκρασίας) ήγια ψύξη/δροσισμό χώρων (fan coils, chilled ceilings,...) Εύρος ψυκτικής ισχύος 7.5 kw kw Θερμοκρασία προσαγωγής >55 C COP 0.65 Source: Fraunhofer -ISE

37 Ηλιακός κλιματισμός κλιματισμός οικίας Source: SolarNext

38 Ηλιακός κλιματισμός τεχνικά θέματα: συλλέκτες SAC SAC = = solar solar air air coll. coll. CPC CPC = = stationary stationary CPC CPC FPC FPC = = selectively selectively coated coated flat flat plate plate EHP EHP = = evacuated evacuated heat-pipe heat-pipe EDF EDF = = evacuated, evacuated, direct direct flow flow SYC SYC = = stationary stationary concentrated, concentrated, Sydney-type Sydney-type coll CPC desiccant SAC adsorption FPC 1-effect absorption EHP EDF SYC 2-effect absorption T/G [Km 2 /W] Source: Fraunhofer -ISE

39 Ηλιακός κλιματισμός τεχνικά θέματα: απόδοση Στους ψύκτες υπάρχουν 2 COP: Θερμικό COP = Qc/Qin th Ηλεκτρικό COP = Qc/Qelectical Split unit Geothermal Heat pump Adsorption Absorption DEC COP el COP th

40 Ηλιακός κλιματισμός τεχνικά θέματα: απόδοση - κατανάλωση Ενέργεια από ηλιακούς συλλέκτες Qin Ψύκτης Απορριπτώμενη ενέργεια Qr=Qin+Qc Απορροφούμενη ενέργεια από κλιματιζόμενο χώρο Qc Θερμικές απαιτήσεις Qc = 10kW Qin = 10kW / 0.6 = 16.67kW Qr = = 26.67kW Για ψύκτη 10kW με COP th =0.6 και COP el = 60 Ηλεκτρικές απαιτήσεις Qc = 10kW Qel = W / 60 = 167W Συνολική ενέργεια (με κυκλοφορητές) Qel 350W (Ψύκτης συμπίεσης Qel=3.300W) (Γεωθερμική αντλία Qel=2.600W)

41 Ηλιακός κλιματισμός συμπεράσματα Εποχιακή σύμπτυξη υψηλών κλιματιστικών αναγκών και υψηλής ηλιακής ενεργείας Βιομηχανία κατασκευής μικρών κλιματιστικών υπό ανάπτυξη Υψηλό κόστος για ψύκτες έως 30kW (2000 /kw ) Ενσωμάτωση σε υπάρχων συστήματα. (χρήση Fan coils ενδοδαπέδια θέρμανση κ.λ.π) Πολλές εταιρίες είναι επιφυλακτικές στην εξαγωγή των μονάδων στην Ελλάδα Αναμένονται κλιματιστικά σε μορφή split unit Αρχή διαστασιολόγησης πεδίου συλλεκτών: 3m²/kW (ψυκτικής ισχύος) για συστήματα κλειστού κύκλου 10m² ανά 1000m³/h για συστήματα ανοικτού κύκλου

42 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας

43 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Οι ηλιακοί συλλέκτες μέσω υψηλών ποσοστών συγκέντρωσης ηλιακής ενέργειας παράγουν ατμό σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία Ο ατμός κινεί αεροστροβίλους συνδεδεμένους σε ηλεκτρογεννήτριες Η άμεση χρήση της θερμότητας του ήλιου έχει ως αποτέλεσμα υψηλά ποσοστά απόδοσης (>24%)

44 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Source: Andasol

45 Αφαλάτωση

46 Αφαλάτωση Τα ηλιακά συστήματα μπορούν να συνδυαστούν με οποιοδήποτε σύστημα αφαλάτωσης που χρησιμοποιεί θερμότητα (μέθοδοι εξάτμισης). Οι κυριότερες μέθοδοι εξάτμισης είναι οι: Πολυβάθμια Εξάτμιση (Multiple Effect Distillation-MED) Πολυβάθμια Εκτόνωση (Multi-Stage Flash Distillation MSF) Κατά βάση γίνετε χρήση της πολυβάθμιας εξάτμισης (MED) που επιτρέπει λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες (T<100 C). Οι απαιτήσεις θερμικής ενέργειας είναι 105 kwh th ανά m³ παραγόμενου νερού που αντιστοιχεί περίπου σε 175m² συλλεκτικού πεδίου (συλλέκτες κενού). Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ~1 kwhe ανά m³ παραγόμενου αφαλατωμένου νερού.

47 Αφαλάτωση Κύπρος

48 Αφαλάτωση - Κύπρος Σύστημα αφαλάτωσης για τη Κύπρο Τεχνικά στοιχεία: - Παροχή υφάλμυρου νερού 75m³/h, 24h/24h - Χρήση ηλιακών συλλεκτών κενού - Χρήση τεχνολογίας MED 3 δράσεων - Παραγωγή αφαλατωμένου νερού 1:5 (15m³/h) - Θερμικές απαιτήσεις KWh th ημερησίως - Δύο σενάρια 1) χρήση m² συλλεκτικού πεδίου για κάλυψη περίπου 20% 2) χρήση m² συλλεκτικού πεδίου για κάλυψη περίπου 98%

49 Αφαλάτωση - Κύπρος m² συλλεκτικού πεδίου m² συλλεκτικού πεδίου Ετήσια παραγόμενη ενέργεια από το ηλιακό σύστημα Ετήσια ενέργεια από το εφεδρικό σύστημα Ετήσια απαιτούμενη ενέργεια 2,7 GWh 13,2GWh 11,1 GWh 1,56GWh 13,8 GWh 14.3 GWh Ετήσια παρασιτική ενέργεια 46 MWh 85 MWh

50 Αφαλάτωση - Κύπρος m² συλλεκτικού πεδίου m² συλλεκτικού πεδίου Κόστος κατασκευής 2,026,000 8,646,000 Ετήσιο λειτουργικό κόστος 833, ,100 Εξοικονόμηση 432,100 1,084,750 Χρόνος απόσβεσης 4 έτη 7 έτη Εξοικονόμηση CO t/y 4203 t/y

51 Αφαλάτωση - Κύπρος Κολυμβητήριο δήμου Γεροσκήπου Κύπρος Ηλιακό σύστημα: -Αφαλάτωση για γέμισμα πισίνας -Θέρμανση πισίνας 180m² -Tinox MidiSal 1000 (1000lt/ημέρα) -110m² επίπεδοι επιλεκτικοί συλλέκτες (Kafson LTD) Κόστος συστήματος

52 Αφαλάτωση - Κύπρος

53 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας Τμήμα Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων 19χλμ. Λ. Μαραθώνος, 19009, Πικέρμι τηλ , φαξ Δ. Χασάπης Μηχ. Τεχνολογίας Α.Π.Ε. (MScDic)